礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控（安徽理工大學）

主講人：王廣軍

安徽理工大學安全培訓中心

礦井安全監(jiān)測監(jiān)控

煤礦信息集成化、智能化、網(wǎng)絡化是當前煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的特點，也是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證。我國目前正生產(chǎn)和推廣集多類子系統(tǒng)的全礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由信息管理系統(tǒng)、礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備自動控制系統(tǒng)及工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)等組成。

主要內(nèi)容

一、電氣防爆

二、礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)組成

三、礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展

一、電氣防爆

礦用電氣設(shè)備的分類

  I 類為礦用電氣設(shè)備

  Ⅱ類為工廠用電氣設(shè)備

電氣防爆

煤礦用防爆電氣設(shè)備是按照國家標準 GB 3836《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備》制造的。它適用于煤礦低瓦斯、高瓦斯和有煤塵與瓦斯突出、噴出的區(qū)域（其標志為“Ex” ）

礦用一般型電氣設(shè)備是專為煤礦井下生產(chǎn)的不防爆的電氣設(shè)備，只能用于低瓦斯礦井井底車場，總進風巷和主要進風巷。使用架線電機車運輸?shù)南锏乐屑把卦撓锏赖臋C電銅室內(nèi)也可采用一般型電氣設(shè)備，其標志為“ KY ”。

電氣防爆

電氣防爆

1.隔爆型電氣設(shè)備 d

  該設(shè)備具有隔爆外殼的防爆電氣設(shè)備，該外殼既能承受其內(nèi)部爆炸性氣體混合物引爆產(chǎn)生的爆炸壓力，又能防止爆炸產(chǎn)物穿出隔爆間隙點燃外殼周圍的爆炸性混合物。

電氣防爆

2.增安型電氣設(shè)備 e

  該設(shè)備在正常運行條件下不會產(chǎn)生電弧、火花或可能點燃爆炸性混合物的高溫的設(shè)備結(jié)構(gòu)上，采取措施提高安全程度，以避免在正常和認可的過載條件下出現(xiàn)這些現(xiàn)象的電氣設(shè)備。

電氣防爆

 3.本質(zhì)安全型電氣設(shè)備 i

    該設(shè)備全部電路均為本質(zhì)安全電路的電氣設(shè)備。所謂本質(zhì)安全電路，是指在規(guī)定的試驗條件下，正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性混合物的電路。 

電氣防爆

4.正壓型電氣設(shè)備 p

     該設(shè)備具有正壓外殼的電氣設(shè)備。即外殼內(nèi)充有保護性氣體，并保持其壓力（壓強）高于周圍爆炸性環(huán)境的壓力（壓強），以阻止外部爆炸性混合物進入的防爆電氣設(shè)備。

電氣防爆

5.充油型電氣設(shè)備o

    該設(shè)備全部或部分件浸在油內(nèi)，使設(shè)備不能點燃油面以上的或外殼外的爆炸性混合物的防爆電氣設(shè)備。

電氣防爆

6.充砂型電氣設(shè)備 q

        該設(shè)備外殼內(nèi)充填砂粒材料，使之在規(guī)定的條件下殼內(nèi)產(chǎn)生的電弧、傳播的火焰、外殼壁或砂粒材料表面的過熱溫度，均不能點燃周圍爆炸性混合物的防爆電氣設(shè)備。

電氣防爆

7.澆封型電氣設(shè)備 m

      該設(shè)備將電氣設(shè)備或其部件澆封在澆封劑中，使它在正常運行和認可的過載或認可的故障下不能點燃周圍的爆炸性混合物的防爆電氣設(shè)備。

電氣防爆

8.無火花型電氣設(shè)備 n

    該設(shè)備在正常運行條件下，不會點燃周圍爆炸性混合物，且一般不會發(fā)生有點燃作用的故障的電氣設(shè)備。

電氣防爆

9.氣密型電氣設(shè)備 h

    該設(shè)備具有氣密外殼的電氣設(shè)備。

10.特殊型電氣設(shè)備 s

      該設(shè)備異于現(xiàn)有防爆型式，由主管部門制定暫行規(guī)定，經(jīng)國家認可的檢驗機構(gòu)證明，具有防爆性能的電氣設(shè)備。該型防爆電氣設(shè)備須報國家技術(shù)監(jiān)督局備案。

二、礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)組成

(1)監(jiān)測傳感器及執(zhí)行機構(gòu)

(2)分站

(3)主站

(4)信息傳輸系統(tǒng)

監(jiān)測傳感器及執(zhí)行機構(gòu)

  傳感器負責采集各種環(huán)境參數(shù)，將被測物理量信號轉(zhuǎn)換為電信號。有些傳感器還有顯示和聲光報警功能。執(zhí)行機構(gòu)的功能是接收來自傳輸系統(tǒng)的信息，并根據(jù)它執(zhí)行開、停、斷電等指令，從而完成各種控制功能。傳感器的供電方式有 2 種：一種是 1 個傳感器 1 個電源箱方式；另一種是集中供電的方式，即若干個傳感器共用 1 個電源箱，而這種電源箱大多是與系統(tǒng)分站在一起。井下使用的傳感器的供電電源必須是本質(zhì)安全型的。

監(jiān)測傳感器

傳感器的基本概念與定義

    傳感器是電子測量儀器的核心。它是借助于檢測元件(又稱傳感元件、傳感頭)接受物理量形式信息(一般為非電量)，并按一定規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成同種或別種物理量形式信息的儀器，通常又稱變換器、變送器、換能器等。檢測元件接受的物理量稱為被測參數(shù)，或稱被測量。

對礦用傳感器的一般要求

(1)輸入與輸出之間有一定的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)常是    單值線性關(guān)系；

(2)較高的靈敏度、精度，安裝方向?qū)z測精度影響小，且有較快的反應速度；

(3)特性曲線的重復性和隨時間變化的穩(wěn)定性好

(4)抗干擾能力強，機械、熱、電的過載穩(wěn)定性好；

(5)防潮、防爆、體輕、堅固、耐用。

誤差分析

1)裝置誤差與方法誤差

2)基本誤差和附加誤差

3)系統(tǒng)誤差和隨機誤差

4)絕對誤差和相對誤差

  絕對誤差是指測量儀器指示值與實際值之間差值的絕對值

 △＝ |X—A|

式中△——絕對誤差；

    X——測量儀器指示值；

    A——實際值(真值)。

誤差分析

    相對誤差的定義為：絕對誤差與約定指示值之比。由于選取的約定指示值不同，相對誤差又分為實際相對誤差、標稱相對誤差、引用相對誤差。在實際使用中，多用引用相對誤差。

  例如：有一滿刻度100A的電流表測量某電路電流，指示值為41A，實際值為40A，則有：

絕對誤差：△＝41—40＝l A

    

礦用傳感器

瓦斯、風速、負壓、一氧化碳、煙霧、溫度、風門開關(guān)；各種機電設(shè)備開停、電壓、電流、功率、電度等礦用傳感器

瓦斯傳感器

沼氣具有以下特性：無色、無味、無臭常溫常壓時呈氣態(tài)；相對于空氣的比重是0.554，難溶于水；擴散性較空氣高1．6倍；無毒，但濃度很高時，因氧含量減少會引起人窒息死亡，不助燃，在空氣中達到一定濃度時(5％一16％ CH4)遇高溫能引起爆炸，引爆溫度一般大于650℃，在空氣中沼氣濃度大于16％ CH4時，遇火燃燒。沼氣與氧氣在高溫下的反應是發(fā)光、放熱反應，其反應方程式如下：

    CH4十202＝CO2十2H20十Q

瓦斯傳感器

(1)鉑絲線圈

(2)裁體

① 比表面積大，一般為l0—100m2／g；

② 耐熱和傳熱性能好；

③ 防潮、耐化學腐蝕性好；

④有一定的機械如度。

(3)催化劑

①活性大，由反應物轉(zhuǎn)化生成物的轉(zhuǎn)化率高，

②選擇性高；

③穩(wěn)定性好；

④使用期限長；

⑤工藝制造、篩選方便。

瓦斯傳感器

瓦斯傳感器

進入燃燒室的沼氣分于在檢測黑元件表面進行熱化學反應，釋放熱量。沼氣的快速氧化需要一定的起始溫度和催化劑作用。檢測黑元件的第一個作用是為沼氣氧化提供外在條件，通以較大的工作電流，將元件溫度加熱到沼氣快速氧化的起始點； 

沼氣氧化放出的熱量與參加反應的沼氣分子的質(zhì)量成正比。在傳感器幾何結(jié)構(gòu)、檢測元件電參數(shù)一定時，沼氣氧化生成的熱量與外界環(huán)境中的沼氣濃度成正比

瓦斯傳感器

熱催化式低濃沼氣傳感器的特點

(1)在沼氣傳感器有效測量范圍內(nèi)(一般0％一4％CH4)線性好，非線性誤差??；

(2)靈敏度高，即對應單位沼氣濃度電橋輸出V大，

(3)靈敏度相對穩(wěn)定，線性衰減慢，零點漂移小；

(4)重復性好。

瓦斯傳感器

造成沼氣傳感器元件靈敏度下陣的主要原因

①高濃度沼氣激活失效

②煤塵與水蒸氣的影響

③元件化學組分變化、中毒失效

瓦斯傳感器

瓦斯傳感器

瓦斯傳感器

熱導式甲烷傳感器工作原理：利用甲烷的熱導率高于新鮮空氣的熱導率，通過熱敏元件測量甲烷空氣混合物熱導率的變化，進而測的甲烷空氣混合物濃度的變化。

主要使用方向：熱導式高濃度甲烷傳感器是我國煤礦用于瓦斯抽放管道中監(jiān)測瓦斯?jié)舛鹊膬x器。

風速傳感器

礦用風速傳感器按工作原理分有葉輪式、熱線式、超聲波式等。

  超聲波風速傳感器

分站

分站的作用是接收來自傳感器的模擬信號，并按預先約定的復用方式（時分制或頻分制等）遠距離傳送給主站；同時，接受來自主站多路復用信號（時分制或頻分制等）。分站還具有線性校正、超限判別、邏輯運算等簡單的數(shù)據(jù)處理能力，對傳感器輸人的信號和主站傳輸來的信號進行處理，控制斷電器工作。傳感器及執(zhí)行機構(gòu)距分站的最大傳輸距離一般不小于 2 km 。

主站

主站主要完成地面非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備與井下本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備的隔離。主站還具有控制分站的發(fā)送與接收、多路復用信號的調(diào)制與解調(diào)、系統(tǒng)自檢等功能。主站一般由主機（含顯示器）、打印機、電視墻（或投影儀、模擬盤、多屏幕、大屏幕）、 UPS 電源等組成。

信息傳輸系統(tǒng)

連接井下分站和地面中心站系統(tǒng)的即是信息傳輸系統(tǒng)。

三、礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展

煤礦安全監(jiān)控設(shè)備裝備標準應以保障煤礦安全生產(chǎn)為原則。因此，煤礦安全監(jiān)控設(shè)備的裝備標準主要依據(jù)礦井瓦斯等級、自然發(fā)火狀況等確定、不需要考慮礦井的生產(chǎn)能力。

系統(tǒng)中心站

環(huán)境監(jiān)測。主要監(jiān)測煤礦井下各種有毒有害氣體及工作面的作業(yè)條件，如高濃度甲烷氣體、低濃度甲烷氣體、一氧化碳、氧氣濃度、風速、負壓、溫度、巖煤溫度、頂板壓力、煙霧等

系統(tǒng)中心站

生產(chǎn)監(jiān)控。主要監(jiān)控井上、下主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)，如煤倉煤位、水倉水位、供電電壓、供電電流、功率等模擬量；水泵、提升機、局扇、主扇、膠帶機、采煤機、開關(guān)、磁力起動器運行狀態(tài)和參數(shù)等。

系統(tǒng)中心站

中心站軟件。具有測點定義功能；具有顯示測量參數(shù)、數(shù)據(jù)報表、曲線顯示、圖形生成、數(shù)據(jù)存儲、故障統(tǒng)計和報表、報告打印功能。其中，部分系統(tǒng)可實現(xiàn)局域網(wǎng)絡連接功能，并采用國際通用的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)局域網(wǎng)絡終端與中心站之間實時通信和實時數(shù)據(jù)查詢

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)井下分站

l   開機自檢和本機初始化功能

2   通信測試功能

3  分站設(shè)程控功能（實現(xiàn)斷點儀功能、風電瓦斯閉鎖功能、瓦斯管道監(jiān)測功能和一般的環(huán)境監(jiān)測功能等）

4  死機自復位功能且通知中心站

5  接收地面中心站初始化本分站參數(shù)設(shè)置功能(如傳感器配接通道號、量程、斷電點、斷電點、報警上限和報警下限等)

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)井下分站

6 分站自動識別配接傳感器類型（電壓型、電流型或頻率型等）

7 分站本身具備超限報警功能

8 分站接收中心站對本分站指定通道輸出控制繼電器實施手控操作功能和異地斷電功能

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的裝備要求

高瓦斯礦井、煤（巖）與瓦斯突出礦井，必須裝備礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)。沒有裝備礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的礦并的煤巷、半煤巖巷和有瓦斯涌出的巖巷的掘進工作面，必須裝備甲烷風電閉鎖裝置或甲烷斷電儀和風電閉鎖裝置。沒有裝備礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的無瓦斯涌出的巖巷掘進工作面，必須裝備風電閉鎖裝置。沒有裝備礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的礦井的采煤工作面，必須裝備甲烷斷電儀。煤礦安全監(jiān)控設(shè)備之間必須使用專用阻燃電纜或光纜連接，嚴禁與調(diào)度電話電纜或動力電纜共用。防爆型煤礦安全監(jiān)控設(shè)備之間的輸人、輸出信號必須為本質(zhì)安全型信號。

使用和維護

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)必須具有瓦斯、風速、壓差、CO、溫度、微音、地音等模擬量監(jiān)測，饋電狀態(tài)投備開停和風筒開關(guān)等開關(guān)量監(jiān)測、瓦斯?jié)舛瘸蘼暪鈭缶蛿嚯姡瘡碗?、風一瓦斯一電閉鎖、斷電狀態(tài)監(jiān)測、自檢、顯示、存儲、打印報表等功能。礦井監(jiān)控系統(tǒng)中心站主機應不少干2臺，1臺工作，l臺備用。當主機或系統(tǒng)電纜發(fā)生故障時，系統(tǒng)必須保證繼續(xù)連續(xù)正常工作時間不小干于2小時。系統(tǒng)必須具有防雷措施，防止雷電引起井下瓦斯煤塵爆炸。

使用和維護

當瓦斯?jié)舛瘸耷袛啾豢仉姎庠O(shè)備的電源后，嚴禁自動復電，只有當瓦斯?jié)舛冉档綇碗婇T限以下時，方可人工復電。安全監(jiān)控設(shè)備未投入正常運行或故障時，必須自動切斷控制區(qū)域設(shè)備電源。

傳感器的設(shè)置

瓦斯傳感器的設(shè)置

瓦斯傳感器應垂直懸掛，距頂板（頂梁）不得大于300mm，距巷道側(cè)壁不得小于200mm。

采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)置

甲烷傳感器的報警濃度、斷電濃度、復電濃度 和斷電范圍 及便攜式甲烷檢測報警儀的報警濃度

甲烷傳感器的報警濃度、斷電濃度、復電濃度 和斷電范圍 及便攜式甲烷檢測報警儀的報警濃度

采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)置

采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)置

采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)置

采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)置

掘進工作面甲烷傳感器的設(shè)置

高瓦斯礦井雙巷掘進工作面甲烷傳感器的設(shè)置

有專用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)置

有專用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)置

機電硐室甲烷傳感器的設(shè)置

其它甲烷傳感器的設(shè)置

其它甲烷傳感器的設(shè)置

其它傳感器的設(shè)置

其它傳感器的設(shè)置

甲烷傳感器的報警濃度、斷電濃度、復電濃度 和斷電范圍 及便攜式甲烷檢測報警儀的報警濃度

甲烷傳感器的報警濃度、斷電濃度、復電濃度 和斷電范圍 及便攜式甲烷檢測報警儀的報警濃度

甲烷傳感器的報警濃度、斷電濃度、復電濃度 和斷電范圍 及便攜式甲烷檢測報警儀的報警濃度

傳感器的設(shè)置

傳感器的設(shè)置

傳感器的設(shè)置

傳感器的設(shè)置

傳感器的設(shè)置

傳感器的設(shè)置

存在的問題

通信協(xié)議不規(guī)范

井下信息傳輸設(shè)備物理接口協(xié)議不規(guī)范

傳感器等質(zhì)量不過關(guān)

現(xiàn)場管理和維護水平有待于加強

市場秩序亟待規(guī)范

發(fā)展趨勢

a.系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控，而且在軟件技術(shù)上應研究開發(fā)能根據(jù)被監(jiān)測環(huán)境地點的參數(shù)進行有效的危險性判別、分析和提出專家決策方案。同時系統(tǒng)應用軟件應向網(wǎng)絡化發(fā)展，按統(tǒng)一的格式向外提供監(jiān)測數(shù)據(jù)

b.針對通信協(xié)議不規(guī)范和傳輸設(shè)備物理層協(xié)議不規(guī)范盡，應盡快尋找一種解決系統(tǒng)兼容性的途徑或制定相應的專業(yè)技術(shù)標準，這對促進礦井監(jiān)控技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)的推廣應用均具有十分重要的意義;

發(fā)展趨勢

c.研制高可靠性瓦斯傳感器；

d.礦井瓦斯爆炸多半是由電氣火災引起的，因此應研制智能化的高壓開關(guān)柜、高壓真空饋電開關(guān)、低壓真空饋電開關(guān)等，依此向系統(tǒng)提供多參數(shù)的信息，如電流、電壓、單相/三相漏電電流、開關(guān)運行狀態(tài)、開關(guān)機械/電氣閉鎖狀態(tài)等；

e.制定科學、合理的政策法規(guī)，研究提高煤礦安全管理水平的管理技術(shù)，使我國的煤礦安全生產(chǎn)管理從以人治為主，發(fā)展到以法治理

礦井監(jiān)測監(jiān)控的發(fā)展

安全可靠、綜合能力強

傳感器電路通用

信號傳輸采用統(tǒng)一標準

通用的礦井安全監(jiān)測監(jiān)控軟件

謝謝大家